maquinabilidad

La maquinabilidad es la facilidad con la que un metal puede cortarse ( mecanizarse ), permitiendo la eliminación del material con un acabado satisfactorio a bajo costo. ^{[ 1 ]} Los materiales con buena maquinabilidad ( materiales de fácil mecanizado ) requieren poca potencia para cortarse, se pueden cortar rápidamente, se obtiene fácilmente un buen acabado y no causan un desgaste significativo en las herramientas . Los factores que normalmente mejoran el rendimiento de un material a menudo degradan su maquinabilidad, lo que representa un importante desafío de ingeniería.

La maquinabilidad puede ser difícil de predecir debido a la gran cantidad de variables involucradas en el proceso de mecanizado. Dos conjuntos de factores son el estado y las propiedades físicas de los materiales de trabajo. ^{[ 2 ]} El estado del material de trabajo incluye al menos ocho factores: microestructura , tamaño de grano , tratamiento térmico , composición química, fabricación, dureza , límite elástico y resistencia a la tracción . ^{[ 3 ]} Las propiedades físicas son las de los grupos de materiales individuales, como el módulo de elasticidad , la conductividad térmica , la expansión térmica y el endurecimiento por deformación . ^{[ 3 ]} Otros factores importantes son las condiciones de operación, el material y la geometría de la herramienta de corte y los parámetros del proceso de mecanizado específico que se está realizando. ^{[ 3 ]}

Los aceros se encuentran entre los materiales más importantes y utilizados en ingeniería. Los aceros de fácil mecanizado son aleaciones que incluyen elementos como azufre y plomo , los cuales reducen el tamaño de las virutas producidas durante el proceso de mecanizado. ^{[ 4 ]} Si bien los aceros de fácil mecanizado son más caros que los aceros estándar, su costo se compensa con el ahorro en los costos de fabricación.

Existen muchos factores que afectan la maquinabilidad, pero no hay una forma ampliamente aceptada de cuantificarla. En cambio, la maquinabilidad suele evaluarse caso por caso, y las pruebas se adaptan a las necesidades de un proceso de fabricación específico. Las métricas comunes para la comparación incluyen la vida útil de la herramienta, la calidad del acabado superficial, la temperatura de corte, las fuerzas de la herramienta y el consumo de energía. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La maquinabilidad puede basarse en la duración de una herramienta. Esto puede ser útil al comparar materiales con propiedades y consumos de energía similares, pero uno de ellos es más abrasivo y, por lo tanto, reduce la vida útil de la herramienta. El principal inconveniente de este enfoque es que la vida útil de la herramienta depende de más factores que solo el material que se mecaniza; otros factores incluyen el material de la herramienta de corte, su geometría, el estado de la máquina, la sujeción de la herramienta, la velocidad de corte, el avance y la profundidad de corte. Además, la maquinabilidad de un tipo de herramienta no se puede comparar con la de otro tipo (por ejemplo, una herramienta de acero rápido con una de carburo). ^{[ 6 ]}

${\displaystyle {\text{Índice de maquinabilidad (}}\%{)}={\frac {\text{velocidad de corte del material para una vida útil de la herramienta de 20 minutos}}{\text{velocidad de corte del acero de fácil mecanizado para una vida útil de la herramienta de 20 minutos}}}\times 100}$

La fuerza necesaria para que una herramienta corte un material está directamente relacionada con la potencia consumida. Por lo tanto, las fuerzas de la herramienta suelen expresarse en unidades de energía específica . Esto da lugar a un método de clasificación en el que una mayor energía específica equivale a una menor maquinabilidad. La ventaja de este método es que los factores externos tienen poca influencia en la clasificación. ^{[ 6 ]}

El acabado superficial se utiliza a veces para medir la maquinabilidad de un material. Los materiales blandos y dúctiles tienden a formar un borde recrecido . El acero inoxidable y otros materiales con una alta capacidad de endurecimiento por deformación también tienden a formar un borde recrecido. Las aleaciones de aluminio, los aceros trabajados en frío y los aceros de fácil mecanizado , así como los materiales con una zona de cizallamiento elevada, no tienden a formar bordes recrecidos, por lo que estos materiales se clasificarían como más maquinables. ^{[ 7 ]}

La ventaja de este método es que se mide fácilmente con el equipo adecuado. La desventaja de este criterio es que a menudo resulta irrelevante. Por ejemplo, al realizar un desbaste, el acabado superficial no tiene importancia. Asimismo, los cortes de acabado suelen requerir una precisión que, naturalmente, da como resultado un buen acabado superficial. Este método de clasificación tampoco siempre coincide con otros métodos. Por ejemplo, las aleaciones de titanio obtendrían una buena clasificación según el método de acabado superficial, una baja según el método de vida útil de la herramienta y una clasificación intermedia según el método de consumo de energía. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El índice de maquinabilidad de un material intenta cuantificar la maquinabilidad de varios materiales. Se expresa como un porcentaje o un valor normalizado . El Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) determinó los índices de maquinabilidad para una amplia variedad de materiales realizando pruebas de torneado a 180 pies superficiales por minuto (sfpm). ^{[ 9 ]} Luego asignó arbitrariamente al acero B1112 de 160 Brinell un índice de maquinabilidad del 100 %. ^{[ 9 ]} El índice de maquinabilidad se determina midiendo los promedios ponderados de la velocidad de corte normal, el acabado superficial y la vida útil de la herramienta para cada material. ^{[ 9 ]} Cabe señalar que un material con un índice de maquinabilidad inferior al 100 % sería más difícil de mecanizar que el B1112, y un material con un valor superior al 100 % sería más fácil.

Clasificación de maquinabilidad = (Velocidad de mecanizado de la pieza que proporciona una vida útil de la herramienta de 60 minutos) / (Velocidad de mecanizado del metal estándar)

${\displaystyle {\text{Índice de maquinabilidad (}}\%{)}={\frac {\text{Velocidad de mecanizado de la pieza de trabajo para una vida útil de la herramienta de 60 minutos}}{\text{Velocidad de mecanizado del metal estándar}}}}$

Los índices de maquinabilidad pueden utilizarse junto con la ecuación de vida útil de la herramienta de Taylor para determinar las velocidades de corte o la vida útil de la herramienta. Se sabe que el acero B1112 tiene una vida útil de 60 minutos a una velocidad de corte de 100 pies/min. Si un material tiene un índice de maquinabilidad del 70 %, entonces, con los datos anteriores, se puede determinar que para mantener la misma vida útil de la herramienta (60 minutos), la velocidad de corte debe ser de 70 pies/min (suponiendo que se utilice la misma herramienta). ^{[ 1 ]}${\displaystyle VT^{n}=C}$

El contenido de carbono del acero afecta considerablemente su maquinabilidad. Los aceros con alto contenido de carbono son difíciles de mecanizar debido a su resistencia y a que pueden contener carburos que desgastan la herramienta de corte. Por otro lado, los aceros con bajo contenido de carbono presentan problemas debido a su excesiva blandura: son gomosos y se adhieren a la herramienta de corte, lo que provoca la formación de un filo recrecido que reduce la vida útil de la herramienta. Por lo tanto, el acero presenta la mejor maquinabilidad con cantidades medias de carbono, alrededor del 0,20 %. ^{[ 5 ]}

El cromo, el molibdeno y otros metales de aleación se suelen añadir al acero para mejorar su resistencia. Sin embargo, la mayoría de estos metales también disminuyen su maquinabilidad.

Las inclusiones en el acero, especialmente los óxidos, pueden desgastar la herramienta de corte. El acero mecanizable debe estar libre de estos óxidos.

La maquinabilidad de los aceros aleados para rotores también se ve influenciada por las condiciones de lubricación y por las modificaciones estructurales y de fase del material. Estudios experimentales sobre el acero 38KhN3MFA han demostrado que los fluidos de corte pueden afectar significativamente la morfología de la viruta, los mecanismos de deformación superficial y la formación de productos de corte, mientras que la modificación tecnológica del acero altera su respuesta microestructural bajo regímenes de mecanizado variables. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Existen diversos compuestos químicos, tanto metálicos como no metálicos, que se pueden añadir al acero para facilitar su corte. Estos aditivos pueden lubricar la interfaz entre la herramienta y la viruta, disminuir la resistencia al corte del material o aumentar la fragilidad de la viruta. Históricamente, el azufre y el plomo han sido los aditivos más comunes, pero el bismuto y el estaño son cada vez más populares por razones medioambientales.

El plomo puede mejorar la maquinabilidad del acero porque actúa como lubricante interno en la zona de corte. ^{[ 12 ]} Dado que el plomo tiene poca resistencia al corte, permite que la viruta se deslice con mayor facilidad más allá del filo de corte. Cuando se añade en pequeñas cantidades al acero, puede mejorar notablemente su maquinabilidad sin afectar significativamente su resistencia.

El azufre mejora la maquinabilidad del acero al formar inclusiones de baja resistencia al corte en la zona de mecanizado. Estas inclusiones actúan como concentradores de tensión que debilitan el acero, permitiendo que se deforme con mayor facilidad.

Los aceros inoxidables tienen una maquinabilidad deficiente en comparación con el acero al carbono común debido a que son más duros, más gomosos y tienden a endurecerse por deformación muy rápidamente. ^{[ 5 ]} Un ligero endurecimiento del acero puede disminuir su gomosidad y facilitar su corte. Los grados AISI 303 y 416 son más fáciles de mecanizar debido a la adición de azufre y fósforo . ^{[ 13 ]}

El aluminio es un metal mucho más blando que el acero, y las técnicas para mejorar su maquinabilidad generalmente se basan en hacerlo más quebradizo. Las aleaciones 2007, 2011 y 6020 tienen una maquinabilidad muy buena. ^{[ 13 ]}

Los termoplásticos son difíciles de mecanizar debido a su baja conductividad térmica. ^{[ 12 ]} Esto genera calor que se acumula en la zona de corte, lo que reduce la vida útil de la herramienta y funde el plástico localmente. Una vez fundido, el plástico simplemente fluye alrededor del filo de corte en lugar de ser eliminado por este. La maquinabilidad puede mejorarse utilizando un refrigerante de alta lubricidad y manteniendo la zona de corte libre de acumulación de virutas.

Los materiales compuestos suelen tener la peor maquinabilidad porque combinan la baja conductividad térmica de una resina plástica con las cualidades resistentes o abrasivas del material de fibra (vidrio, carbono, etc.).

La maquinabilidad del caucho y otros materiales blandos mejora al utilizar un refrigerante a muy baja temperatura, como el dióxido de carbono líquido . Las bajas temperaturas enfrían el material antes del corte, evitando que se deforme o se adhiera al filo. Esto reduce el desgaste de las herramientas y facilita el mecanizado.

• Vibraciones de mecanizado

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materiales y procesos en la fabricación (9.ª ed.). Wiley. ISBN 0-471-65653-4.
• Schneider, George Jr (2002). Aplicaciones de herramientas de corte (PDF) . Archivado del original (PDF) el 30 de noviembre de 2006.

• Clasificaciones de maquinabilidad de una publicación del sector